宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用Pro CAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明:考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m·s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.      

301不锈钢板坯结晶器出口热力耦合数学模型

针对某厂301不锈钢连铸坯表面裂纹缺陷发生率高的生产问题,建立了301不锈钢板坯连铸结晶器内凝固坯壳形成及应力和变形的热力耦合模型。该模型考虑了包晶钢高温相变特征及其结晶器内的凝固特点。利用有限元软件ANSYS,采用三维瞬态热传导有限元、生死单元技术及三维热弹塑性接触有限元算法进行求解,对301不锈钢板坯结晶器内凝固过程进行了研究。结果表明,结晶器出口处铸坯宽面中心温度最低,距角部40 mm处温度最高,坯壳最薄,随δ-Fe转变量增加,出口处坯壳温度升高,坯壳厚度变薄。铸坯宽面中心位移变形最小,角部最大,窄面位移量大于宽面。随δ-Fe转变量增加,出口处应力水平下降,热点区附近成裂指数增加,发生纹裂机率增大。     

大方坯连铸结晶器冷却制度优化研究

在分析攀钢大方坯连铸现行结晶器冷却能力的基础上,优化调整了结晶器冷却制度。结果表明,增大结晶器冷却警度,强化结晶器传热,结晶器出口坯壳厚度由14．5～15．0mm增至19．0～20．5mm;合理匹配结晶器宽窄面水量分配,可以促进结晶器区域凝固坯壳均匀生长,宽面、窄面坯壳厚度一致,有利于减少因初生坯壳厚度偏薄或厚薄不均产生的铸坯表面角部纵裂或凸包缺陷。     

结晶器磨损对铸坯传热的影响

基于坯壳应力遗传特性建立铸坯热力耦合模型,利用ANSYS对结晶器内铸坯传热及应力进行数值模拟,对比分析结晶器磨损前后坯壳厚度、表面温度和气隙分布规律。结果表明:结晶器在磨损之后,偏离角部附近形成"热点"区域。气隙分布范围由距角部10 mm扩展到80 mm,最大厚度由0.1 mm增加到1.2 mm。     

连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析

针对攀钢大方坯连铸机投产初期铸坯表面角部纵裂缺陷,建立了大方坯连铸结晶器内铜板与铸坯问的热力耦合模型,应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布.在传热模型中,以稳态模型分析结晶器的传热过程,以瞬态模型分析铸坯的传热过程;在力学模型中,考虑铸坯和结晶器的接触边界以处理结晶器角部的气隙,以热弹塑性模型分析铸坯的变形和应力场.2种结构的连铸结晶器中大方坯温度场和应力场计算结果表明,结晶器倒角从25 mm×45°变为12 mm×45°时,可改善铸坯角部的传热条件,降低凝固坯壳角部温度,增加凝固坯壳厚度,有利于减轻和防止铸坯角部裂纹.     

板坯连铸倒角结晶器的开发与试验应用置

针对某钢厂板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了全面考虑保护渣和气隙对传热影响的结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了窄面铜板在不同倒角结构下铸坯的凝固收缩行为,分析了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。数值模拟结果表明结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为220mm的铸坯,窄面铜板采用20mm~25mm×30°~45°倒角时,铸坯表面温度分布最均匀,各应力指数分布较合理。根据模拟结果开发了25mm×30°和25mm×45°两套倒角结晶器并上线试验,试验结果表明倒角结晶器能较好的控制铸坯角部横裂纹,特别是对于含硼等微合金元素裂纹敏感钢种,通过抛光、低倍和酸洗样观察,未发现角部横裂纹。     

连铸结晶器内矩形坯的温度场模拟

利用有限元法建立了结晶器内轴承钢矩形坯温度场数学模型.采用了随温度变化的热物性参数,并且在边界条件中采用平均热流、瞬时热流及角部气隙等对比分析,研究了不同边界条件下矩形坯的温度场和坯壳厚度.模拟结果表明:不考虑角部气隙时,采用平均热流边界条件时矩形坯的温度范围要比采用瞬时热流时范围大;考虑角部气隙时,温度范围相差不大;角部气隙只对角部区域的温度有影响,而对芯部、宽面中心、窄面中心等区域基本没有影响;气隙降低了坯壳表面的换热,使得角部坯壳厚度要比不考虑角部气隙时平均小6～7mm左右,在距离角部30mm处出现热节区.     

电磁制动条件下板坯结晶器内钢液冶金行为的数值模拟

用数值模拟方法研究了有无电磁制动时结晶器内钢液的冶金行为.结果表明:应用电磁制动使结晶器内钢液的速度得到很强的抑制,自由液面最大速度从0.17 m/s减小到0.02 m/s;铸坯内部局部区域钢液温度升高,表面坯壳温度降低；窄面和铸坯角部坯壳有些变厚,宽面坯壳厚度稍稍变薄.     

板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究

针对板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了板坯连铸结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了板坯结晶器窄面铜板在不同倒角结构和不同锥度情况下铸坯的凝固收缩行为,计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为230mm的铸坯,窄面铜板采用20mm～25mm ×45°;倒角及抛物线锥度时,铸坯表面温度分布最均匀,最大平面主应力分布较合理,角部出现横裂纹的可能性会大大降低。     

连铸管式结晶器变形的数值仿真与优化

为了减小管式结晶器铜板变形,提高铸坯质量,建立钢液-铜管-冷却水的三维流动传热模型以及铜管应变模型,研究管式结晶器传热和形变特征,提出铜管优化方案.研究结果表明,铜管热面最高温度为500 K,最低温度为320 K,铜管角部60 mm区域的冷却水温度最低;铜管角部的变形量最大,角部和窄面中心向水缝侧变形,铜管宽面中心向钢...     

1650板坯压下过程热/力学行为及压下工艺优化

为了控制梅钢1 650板坯连铸包晶钢过程铸坯内裂纹发生,基于梅钢1 650板坯连铸机生产实际,建立了1 560mm×230mm断面包晶钢铸坯凝固过程三维热/力耦合有限元模型,揭示了铸坯凝固过程各冷却区内的温度场分布规律和铸坯压下过程应力与变形行为演变规律。结果表明,铸坯在结晶器及零段内冷却强度大,沿拉坯及其垂直方向的温度分布梯度大;在实施铸坯凝固末端压下过程中,铸坯宽面中心与宽向1/4处的表面变形及应力变化较为同步,且靠近铸坯内弧侧凝固前沿的塑性应变最大,铸坯应力最大值集中在角部区域;目前梅钢包晶钢连铸压下区间设置不当,易引发铸坯产生内部裂纹。     

连铸板坯二冷高温区传热均匀性研究与优化

在板坯连铸过程中,二冷区传热的均匀性对铸坯表面与内部质量均有重要的影响。首先对国内某钢厂二冷各区的喷嘴进行了喷淋性能测试,根据各冷却区喷嘴的布局及2 000 mm×250 mm断面包晶桥梁钢板坯连铸生产过程的各区水量分布,建立了铸坯三维凝固传热有限元计算模型,模拟分析了铸坯在二冷区内的动态凝固传热行为。在此基础上,优化调整了连铸二冷高温区的喷嘴布局。结果表明,某钢厂原二冷区喷嘴布局条件下,其高温区的铸坯表面温度沿其横向波动较大。典型生产工艺下,二冷4区出口处的铸坯宽面表面横向温差最大,即距角部313 mm处的宽面表面温度最高为1 073 ℃,而距角部873 mm处的宽面表面温度最低为996 ℃,温差达77 ℃。而当铸坯进入二冷弧形区时,铸坯表面的横向温度分布逐渐趋于均匀。将二冷2区的喷嘴安装高度由距铸坯表面170提升至200 mm、3区和4区的喷嘴安装高度由距铸坯表面200提升至240 mm,可使铸坯在高温区内的表面横向温差最大值降至30 ℃以下,大幅改善铸坯表面温度分布的均匀性。     

保护渣对430不锈钢铸坯边部凹陷缺陷的影响

针对太钢430不锈钢铸坯边部凹陷严重的问题,采用Gleeble 3800、高温原位分析仪、黏度分析仪等技术手段,系统研究430铸坯边部凹陷缺陷的产生机理和保护渣性能对边部凹陷的影响规律。研究结果表明,430铸坯边部凹陷缺陷的主要原因与保护渣的控制传热有关。保护渣碱度过小,结晶能力弱,坯壳在结晶器内冷却强度大,凝固收缩带来较大的角部扭动力而产生边部凹陷,此时铸坯边部凹陷主要发生在结晶器内;保护渣碱度过大,结晶能力强,铸坯冷却强度不够,出结晶器的坯壳厚度薄,在钢水静压力的作用下铸坯宽度产生延展效应,导致后续产生较大的凝固收缩而形成边部凹陷,此时铸坯边部凹陷主要发生在二冷阶段。保护渣碱度控制为1.00,保护渣的结晶能力适宜,既避免了结晶器内强冷带来的铸坯凹陷,又保证了出结晶器坯壳足够的厚度和强度,最终使铸坯边部凹陷深度由1.26 mm降低至0.30 mm,显著改变了铸坯表面质量。     

Simulation of thermal behavior during peritectic steel solidification in slab continuous casting mold

Thermal behavior of the solidifying shell in continuous casting mold is very important to final steel products.In the present work,one two-dimension transient thermal-mechanical finite element model was developed to simulate the thermal behavior of peritectic steel solidifying in slab continuous casting mold by using the sequential coupling method.In this model,the steel physical properties at high temperature was gotten from the micro-segregation model withδ/γtransformation in mushy zone,and the heat flux was obtained according to the displacement between the surface of solidifying shell and the hot face of mold as solidification contraction,the liquid-solid structure and distribution of mold flux,and the temperature distribution of slab surface and mold hot face,in addition,the rate-dependent elastic-viscoplastic constitutive equation was applied to account for the evolution of shell stress in the mold.With this model,the variation characteristics of surface temperature,heat flux, and growth of the solidifying shell corner,as well as the thickness distribution of the liquid flux,solidified flux,air gap and the corresponding thermal resistance were described.     

Heat Transfer and Deformation Behavior of Shell Solidification in Wide and Thick Slab Continuous Casting Mold

With the considerations of the behaviors of shell deformation, mold flux film and air gap dynamic distribution in shell/mold gap, a two dimensional slice-travel transient thermo-mechanical coupled model of simulation shell solidification in wide and thick slab continuous casting mold was developed by using the commercial program ANSYS. The evolutions of strand-mold system thermal behaviors, including the air gap formation and the mold flux film dynamical distribution in shell/mold gap and shell temperature field, and the evolutions of shell deformation and stress distribution of peritectic steel solidified in a 2120 mm wide and 266 mm thick slab continuous casting mold were analyzed. The results show that the air gap formation and the thick mold flux film distribution mainly concentrate in the regions 0–21 mm and 0–7 mm, 0–120 mm and 0–100 mm off the shell wide and narrow faces corners, and thus the hot spots are given rise to form in the regions 15–55 mm and 15–50 mm off the shell wide and narrow face corners. The shell server deformation occurs in the off-corners in the middle and lower parts of the mold. The stress evolution in shell surface is tensile stress, while that in shell solidification front is compressive stress.     

薄板坯连铸结晶器铜板热/力行为

基于国内某钢厂CSP漏斗结晶器铜板结构,建立了考虑铜板水槽冷却水流动的薄板坯结晶器铜板三维热/力耦合计算模型,研究分析了典型连铸工艺下结晶器铜板水槽内冷却水的传热特点和铜板温度场与热应力场分布规律,并探讨了冷却水流速及铜板厚度对铜板热/力行为的影响。结果表明,铜板宽面热面与窄面热面最高温度均位于弯月面下约15 mm处,分别达436.5、379.2 ℃。宽面和窄面铜板的最大热应力均位于弯月面下方约25 mm处,分别达876.7、867.8 MPa。宽面铜板的热应力总体比窄面高且分布更为不均匀,螺栓处热面的热应力整体低于其两侧水槽处热面的热应力。增加冷却水流速、减小铜板厚度可减小铜板热面温度与热应力。将螺栓处冷却水缝延长到距结晶器下口30 mm处,可显著改善宽面铜板中下部横向温度分布的均匀性,使其热面横向最大温差减少约19.6 ℃。     

特大断面连铸方坯结晶器出口的安全坯壳厚度

 连铸结晶器出口处坯壳的安全坯壳厚度对连铸生产的安全顺行、铸坯产品的质量及结晶器长度的设计都有很重要的影响。以特大断面700mm×700mm连铸方坯为基础,通过建立坯壳的三维计算模型对结晶器出口处坯壳厚度进行研究,应用有限元模型计算了不同厚度坯壳的应力分布情况,通过铸坯表面应力分布与材料屈服极限来判断不同厚度坯壳模型是否处于安全生产状态,确定保证安全生产的坯壳厚度的极限值。研究结果表明,坯壳厚度在26mm时表面应力达到屈服极限,随着坯壳厚度增加,铸坯表面应力减小并逐渐远离屈服极限,考虑坯壳生长的不均匀性,讨论了用来修正安全坯壳厚度的安全系数,对于本模型安全系数适用1.46,修正后坯壳的安全平均厚度38mm。